CN1027771C

CN1027771C - 呈现优良抗疲劳性的阶梯状螺纹和截断状螺纹接头

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Publication number: CN1027771C
Application number: CN89100004A
Authority: CN
Inventors: 杉村宣行
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-03-04
Filing date: 1989-01-09
Publication date: 1995-03-01
Anticipated expiration: 2004-01-09
Also published as: FR2628171A1; GB8827739D0; SE8804347D0; FR2628171B1; DE3840731C2; GB2215429B; CN1035870A; SE8804347L; SE469484B; KR890014906A; KR950005837B1; GB2215429A; US4943095A; DE3840731A1

Abstract

一种承受脉动负载的螺纹接头，具有一种承受张力负载的螺纹，沿张力负载方向将其螺纹牙顶接触表面截掉，且其螺纹接触高度较其他部分低。因此，在螺纹根部产生的每单位面积的最大弯曲力矩均匀，且每单位面积的峰值弯曲力矩减小。

Description

本发明涉及到一种用在蓄能器或气缸的一些部分中的螺纹接头;蓄能器或气缸中负载变化剧烈，因而造成在螺纹接头上作用重复应力。具体说，涉及到一种呈现长疲劳寿命的阶梯状螺纹接头和截断状螺纹接头。

例如，一种用作流体设备的蓄能器，构成方式为：其主容器体内部，利用其内的一个气囊被分成一个气室和一个液室;且主容器体之两端的每一端都用一个容器封闭板密封;从而，利用根据液压管路中液压变化使气囊扩张或收缩的方法，蓄能器即完成脉冲的吸收作用或减振作用。在这种蓄能器中采用平行螺纹，以用作一个将主容器体与封板固定的装置。

当蓄能器内部压力上升且端板被向外压时，该螺纹反复承受轴向和圆周向负载;也就是所谓从零到最大值的脉冲负载，螺纹的螺脊承受这些负载是不均匀的，沿张力方向分布。

因此，被施加巨大应力的内螺纹前端部分的根部发生应力集中，这可能造成该根部断裂。

为克服上述问题，可以采用一种螺纹接头，该接头是“一种采用能呈现抗疲劳性的锥形端部形状的外螺纹的螺纹接头”，这在以前美国专利第4189975号和日本专利公报文第56-53651号中已揭示。

如图11中所示，包括本发明发明人的一个小组，制作出一个主容器体1的封闭螺纹2和一封闭板3的第二螺纹4，它们每个都是M106。8×2三角形螺纹形状。然后，制造一个试验蓄能器，它具有第二螺纹4，其构造为：螺脊m₇到m₁的高度h按照上述专利所述逐渐减小。还制造一个采用上述三角形螺纹的通常的蓄能器。上述蓄能器每个螺纹的承载率和疲劳寿命按以下条件检验：封口直径d＝104毫米：内部压强P＝0到318公斤/平方厘米;以及频率为2.5赫兹。

结果，尽管试验蓄能器呈现的承载率较通常的蓄能器要均匀得多，但试验蓄能器的疲劳寿命比通常蓄能器要短。

在试验蓄能器中，承受最大承载率的螺纹是从最前部2m起的第二个螺脊m₂，承载率为18.5%;而在通常的蓄能器中是最前端的螺脊，承载率为21%。在通常的蓄能器中，疲劳寿命为560，000次，而在试验蓄能器中380，000次。

当螺纹的承载率下降时，螺纹的疲劳寿命通常会延长。然而，上述试验蓄能器的疲劳寿命缩短。

结果发现，造成上述情况原因是：分别作用在根部f₁到f₁₀的最大弯曲力矩的峰值弯曲力矩作用到从最前部2e起的第二个第一螺纹的根部f₂。该弯曲力矩的幅值也成为最大，使这部分断裂。也就是，当第二螺纹4受到方向y的压力时，第一螺纹的每个螺脊fm都处于悬臂状态，在此状态下其下表面承受分配负载。可以假定第一螺纹螺脊fm高度fh为支点距（Span），它影响着弯曲力矩的量值。

因此，在螺脊高度fh均匀的情况下，如果每个螺脊承受的负载不均匀，则所承受负载越大，峰值弯曲力矩也越大，而且，弯曲力矩幅值达到最大，螺纹容易断裂。

在通常蓄能器和试验蓄能器第一螺纹的根部产生的每单位面积上的每个最大弯曲力矩，可利用承载率和平均接触高度获得。结果示于图4。图中，符号A代表通常蓄能器的最大弯曲力矩，而符号B代表试验蓄能器的最大弯曲力矩。在试验蓄能器B从最前螺纹2e起的第二个第一螺纹根部f₂处，产生13.5公斤毫米/毫米的峰值弯曲力矩PB。所产生的力矩PB，比通常蓄能器11.4公斤毫米/毫米的峰值弯曲力矩PA大。因此，力矩的幅值也大，使螺纹容易断裂。

为此，本发明的目的是改善螺纹接头的抗疲劳性以及延长其疲劳寿命。

一种承受脉冲负载并按照本发明连接的螺纹接头，包括一个承受张力负载的螺纹，在该螺纹之每个螺纹的端部，其螺纹牙顶（Crest）接触面都被截掉，且其接触高度相对于其它部分要降低，从而在螺纹根部每单位面积上的最大弯曲力矩是均匀的，每单位面积上的峰值弯曲力矩大大减小，而且其弯曲力矩幅值亦降，以达到防止疲劳破坏的目的。

图1到10之每一个都表示本发明的实施例，其中：

图1为一个图2中所示的阶梯状螺纹部分放大的垂直断面图。

图2是一个蓄能器的垂直断面视图。

图3和图5到7，各自为表示阶梯状螺纹接头其他实施例且与图1相应的放大视图。

图4表示每个螺纹根部和每单位面积最大弯曲力矩之间关系。

图8和9是表示一个截断螺纹接头实施例的放大断面视图。

图10表示每个螺纹根部和每单位面积最大弯曲力矩之间关系。

图11表示一个通常例子的放大断面视图的一部分。

现在参考附图介绍本发明的实施例。

图2是蓄能器ACC的垂直断面视图，图中主容器体10内部被气囊11分成一个气室12和一个液室13，且该主容器体10的两个端部14和15都分别被相应的容器封闭板16和17密封。

该主容器体10的两个端部14、15和容器封闭板16、17，借助于如图1所示形成的螺纹部分S的螺纹相互固定住。

也就是，主容器体10端部14的内表面形成有第一螺纹20，它被固定到容器封闭板16的第二螺纹19上。

该第一螺纹20具有十个第一螺纹螺脊FS，它们之每一个的接触高度L以这样方式安排：从第一螺纹FS₁₀到FS₇安排为标准螺纹高度（在标准螺纹高度部分50内），则螺脊FS部分就处于与第二螺纹螺脊MS接触，也就是使第一螺纹接触面积FW相同;而从螺脊FS₅到FS₁的截顶（stab）螺纹部分KL中，螺纹是截去牙顶的。使接触高度L低于上述螺脊S_10-7的高度，以便减少第一螺纹接触面积FW。

中间螺纹部分51的螺脊FS的牙顶部分比标准螺纹部分50的螺脊S_10-7的牙顶部分低，但比截顶螺纹部分FL的螺脊FS_5-1的牙顶部分高，其目的是使作用到该螺脊FS₆上的每单位面积的最大弯曲力矩大于作用到标准螺纹部分50的螺脊FS上的最大弯曲力矩，而小于作用到截顶螺纹部分FL的螺脊FS_5-1上的最大弯曲力矩。

由于如上述形成了第一螺纹20，连接每个螺脊的牙顶的线成为阶梯状，螺脊的高度从螺脊FS₈到FS₆逐渐减小。因此就成为所谓阶梯状螺纹。在该截顶螺纹部分FL中所形成的螺脊FS的数目确定如下，假定被固定的螺纹数目为N，则沿螺纹张力方向计算作用到第X螺脊FS_x上的负载W_x为：

W_x＝W_xWN_x（1）

其中，W为全部负载：

WN_x为螺脊FS_x的承载率。

此时，作用到第X螺纹根部fx的每单位面积的最大弯曲力矩M_x可以表示为：

Mx＝〔（DL-D₀）+（D₀-D）/2〕/2×W×WN_x/（π×DL）

其中，DL为内螺纹的大直径;

D₀为外螺纹的大直径;

D为内螺纹的小直径Di或截面螺纹部分的小直径D_x。

在这种状态下，规定D＝D_x，以便使M_x＝在疲劳限度以内的螺纹根部每单位面积的最大弯曲力矩M₀，螺纹接触面积FW_x由下式求得：

FW_x＝（D₀-D_x）×π/4 （3）

并且每单位面积上的接触表面压强可从接触面积FW和负载W_x按下式得出：

P_x＝W_x/FW_x（4）

然后，用公式（1）求得作用在第一个螺脊FS₁上的负载W₁＝W×WN₁，并利用公式（2）求出此时的弯曲力矩M₁＝〔（DL-D₀）+（D₀-D）/2〕/2×W×WN₁/（π×DL）。

此时已得到D＝D_x，以便使每单位面积的最大弯曲力矩M₁＝每单位面积的最大弯曲力矩M，并且用公式（3）得出螺纹接触面积FW₁＝（D₀-D_x）×π/4，以及用公式（4）得出接触表面压强P₁＝W₁/FW₁。

在P₁＜材料抗张强度δ_B的情况下，用公式（1）可以得到作用到第二个螺脊FS₂上的负荷W₂＝W×WN₂，并将得到的结果代入公式（2）。同时，可分别得到在第一螺纹的标准小直径Di为D时每单位面积的最大弯曲力矩M_2i以及在截顶螺纹部分的小直径D_x为D时每单位面积的最大弯曲力矩M_2x。

于是满足了：〔每单位面积最大弯曲力矩M₂〕＜〔每单位面积最大弯曲力矩M₀〕：例如，采用小直径D_x时的每单位面积最大弯曲力矩M₂X。

重复上述过程，直到所采用的小直径成为第一螺纹的标准小直径Di为止。因为，如果P₁＞δ_B，螺纹产生塑性变形，尽管负载W₁＝W×WN₁作用到第一螺脊FS₁上，它只承受FW₁×6B的负载。

因此，作用到下一个螺脊FS₂上的负载W₂即成为（W-FW₁×6B）×W（N-1）₁。

此时，将负载W₂代入公式（2），同时，可以分别得到在第一螺纹的标准小直径Di为D时每单位面积最大弯曲力矩M₂i以及在截顶螺纹部分的小直径D_x为D时每单位面积最大弯曲力矩M_2x;于是可进行上述过程，以确定截顶螺纹部分螺纹的数目。

第一螺纹的根部f₁到f₁₀形成为圆弧形状，其半径f_r的尺寸为0.1到0.18乘以其螺距，第二螺纹19每个螺脊的高度mh安排为标准值。参考号25表示一个挡环，以防止螺纹过量拧入，符号C表示中心线。

下面叙述本实施例的操作。

当液压管路30中的液压变化且液体被强迫从供液/排液口23引到蓄能器ACC中时，气囊11被压缩且气室12内压力上升，使端板16受到箭头A₂方向的压力。

结果，第二螺纹19也受到同样方向压力，使得与前者啮合的第一螺纹20也被施加于一个负载。因此，分布负载W₁到W₁₀作用到FS₁到FS₁₀的每个螺脊上。

如果所施加的负载太大，螺脊FS就产生在某弹性极限内的变形以及塑性变形，且其螺距变化。但是，每个螺脊FS承受的实际负载被限制在弹性极限的作用力范围内。

根据第一螺纹接触面积FW的大小限制这个作用力的强度。由于螺脊FS的接触高度L愈高，接触面积FW就愈大，故截顶螺纹部分FL螺脊FS_6-1的接触面积FW小于螺脊FS_10-8的接触面积。

安排第一螺纹的每个螺脊FS_10-1的接触高度为L₂以使得在每个根部f_10-1所产生的每单位面积最大弯曲力矩基本相同。

因此，相对于通常蓄能器的第一螺纹，每单位面积的峰值弯曲力矩PC和第一螺纹前端部20E的根部所产生的弯曲力矩幅值依次降低。从而疲劳寿命能够延长。

例如，当制造采用了本发明螺纹的蓄能器时，并且在第一螺纹根部f_1-10产生的每单位面积的最大弯曲力矩和螺纹的疲劳寿命按照上述试验相同条件检验，所产生的每单位面积最大弯曲力矩如图4曲线C所示，每单位面积峰值弯曲力矩PC为4.7公斤毫米/毫米，并且疲劳寿命试验结果超过10，000，000次，这是通常蓄能器的20倍或更多。

当然，本发明可以应用到方形、圆形以及梯形螺纹等等。

在张力作用到螺纹的两端情况下，其结构可以按图3所示的方式构成：将第一螺纹20端部20E的螺脊FS_1-3以同样高度截去牙顶，形成截顶螺纹部分FL，以使该内螺纹20的接触高度为阶梯状，并且外螺纹19端部螺脊MS_10-8，也就是对着第一螺纹20另一端部的部分，以同样高度截去牙顶，形成截顶螺纹部分ML，以构成该阶梯状第二螺纹19。

用截去牙顶以降低螺纹的接触高度的一个替代方案，如图5所示，可将第一螺纹FS的牙顶部分的接触表面截去，以降低第一螺纹的接触高度L。

其结构亦可以按图6所示的方式构成：即第一螺纹20的螺脊S_10-7可安排为标准高度，形成标准牙顶部分50，将第一螺纹的螺脊FS_3-1以同样高度截去牙顶，形成截顶标准螺纹部分FL，并且使第一螺纹螺脊FS_6-4成为中部牙顶51。

第一螺纹中部牙顶51的每个牙顶，按连接第一螺纹螺脊FS₁和FS₃牙顶的斜线hl定位。

图7示出图6所示螺纹的一个改形例子。

其结构可以这样方式构成：在第一螺纹标准螺纹部分的螺脊FS_10-8连结和中间螺纹51螺脊FS_7-4连线之间的交接点定位于第一螺纹20中半径为R₀、圆心为OP的圆弧的一条切线上;且在第一螺纹截顶螺纺部分FL螺脊FS_1-3连线和中间螺纹51螺脊连线之间的交接点定位于第二螺纹中半径为R₁、圆心为om的圆弧的一条切线上。

此外，第一螺纹20可以图8所示的方式构成：以相同高度将所有螺纹截去牙顶，以截去牙顶接触表面，并使所有螺纹接触高度相同，其目的是使第一螺纹螺脊FS与第二螺纹螺脊MS接触部分（所谓第一螺纹接触面积）相同。

这种情况下，每个螺纹承受的实际负载是完全均匀的，而与连接部分和紧固部分无关，并且在螺纹根部产生的每单位面积的最大弯曲力矩基本相同。

因此，由于与通常实例相比每单位面积的峰值弯曲力矩和螺纹根部产生的弯曲力矩幅值可以减小，则可以改善其抗疲劳性能且延长疲劳寿命。

当制造上述形式截断螺纹的蓄能器，且在第一螺纹根部f_1-10产生的每单位面积最大弯曲力矩和其疲劳寿命按上述试验同样条件检验时，所产生的单位面积最大弯曲力矩如图10曲线C所示，且每单位面积峰值弯曲力矩PC为3.482公斤毫米/毫米，疲劳寿命试验结果为10，000，000次或更多，为通常蓄能器的20倍。

代替以同样高度截去所有第一螺纹牙顶，亦可以如图9所示截去螺纹的牙顶接触表面FSL，以使第一螺纹接触高度L相同。

上述形式的第一螺纹，作为在可动部分中使用的螺纹或防止一些部件运动的固定螺纹，都呈现出良好的抗疲劳性能。

当张力负载作用在第二螺纹上时，尽管在叙述中省略了，但前面对第二螺纹和第一螺纹的叙述可以相反的方式采用。

Claims

1、一种在一个主容器体和一个容器封闭板之间的螺纹接头；上述主容器体承受变化内部压力，使上述接头承受一个脉冲负载；上述接头包括一个在上述主容器体上的第一螺纹和一个在上述封闭板上的第二螺纹，且上述第一和第二螺纹之每一个都具有牙顶和根部，并使上述主容器体以螺纹配合与上述封闭板连接；

其特征在于：

上述第一螺纹具有：

一个沿着其长度高度可变的牙顶，以致使上述牙顶连接线呈阶梯状，和

一个实质均匀的根部直径；

从而在上述螺纹接头承受上述负载时，沿着第一螺纹根部的应力基本上是均匀的。

2、如权利要求1所述的螺纹接头，其中第一螺纹是内螺纹，且沿着它的根部实质上均匀的应力是由于每单位面积实质上均匀的最大弯曲力矩的结果。

3、如权利要求1所述的螺纹接头，其中第一螺纹除了它的可变高度的牙顶外，沿着其长度实质上呈均匀的螺旋线。

4、一种在一个主容器体和一个容器封闭板之间的螺纹接头，上述主容器体承受变化内部压力导致使上述接头承受脉冲张力负载，上述接头包括在上述主容器体上的第一螺纹和在上述封闭板上的第二螺纹，上述第一和第二螺纹之每一个都具有牙顶和根部，并使上述主容器体以螺纹配合与上述封闭板联接。

其特征在于：

上述第一螺纹的牙顶具有配合接触上述第二螺纹的表面，上述第一螺纹牙顶接触表面连续地减少，以致使连接上述牙顶的线呈阶梯状，和

上述第一螺纹的每个根部直径实质上相等;

从而当上述螺纹接头承受上述负载时，沿上述第一螺纹根部的应力实质上是均匀的。

5、一种在一个主容器体和容器封闭板之间的阶梯状螺纹接头，上述主容器体承受变化内部压力且由此使上述接头承受脉冲负载，上述接头包括：

一个在上述主容器体上的第一螺纹和一个在上述封闭板上的第二螺纹，上述第一和第二螺纹之每一个都具有相应的牙顶和根部，上述第一螺纹的牙顶具有配合接触上述第二螺纹的相应牙顶的表面，以连接上述主容器体和上述封闭板;

其特征在于：

上述第一螺纹具有沿着上述第一螺纹接续的截顶螺纹部分，中间螺纹部分和标准螺纹部分;

上述具有其牙顶接触表面的第一螺纹减小以使上述第一螺纹的每个牙顶端部连接线呈阶梯状;

上述第一螺纹的每个根部的直径是相等的;

以致在上述第一螺纹承受上述脉冲负载时，在上述第一螺纹的每个根部处产生的每单位面积的最大弯曲力矩实质上是均匀的。

6、一种呈现良好抗疲劳性能的阶梯状螺纹接头，上述阶梯状螺纹接头以螺纹方式连接去封闭一个主容器体，该主容器体具有变化内部压力，且上述螺纹接头承受脉冲张力负载;

其特征在于上述螺纹接头包括：

上述螺纹接头的第一螺纹，它承受张力负载，该第一螺纹具有根部和牙顶，上述牙顶具有配合接触上述螺纹接头的第二螺纹的表面，上述螺纹牙顶接触表面减小，以致该螺纹的每个牙顶的端部连线呈阶梯形;

上述第一螺纹的每个根部直径实质上相等;

以致在上述第一螺纹承受上述张力负载时，在上述第一螺纹的每个根部处产生的每单位面积的最大弯曲力矩实质上是均匀的。

7、一种呈现良好抗疲劳性能的阶梯状螺纹接头，上述阶梯状螺纹接头以螺纹方式连接去封闭一个主容器体，该主容器体具有变化的内部压力，且上述螺纹接头承受脉冲的张力负载，

其特征在于上述螺纹接头包括：

上述螺纹接头的第一螺纹，它承受张力负载，并具有沿着上述第一螺纹接续的截顶螺纹部分、中间螺纹部分及标准螺纹部分;

上述第一螺纹具有多个根部和牙顶，上述牙顶具有使上述螺纹接头的第二螺纹配合接触的表面;

上述螺纹接头的第一螺纹的螺纹牙顶接触表面减小，以致使上述第一螺纹的每个牙顶端部连线呈阶梯状;

上述第一螺纹的每个根部的直径相等;

以致在上述第一螺纹承受上述张力负载时，在上述第一螺纹每个根部处产生的每单位面积的最大弯曲力矩实质上是均匀的。

8、如权利要求7所述的阶梯状螺纹接头，其中上述截顶螺纹部分和上述中间螺纹部分的每个接触高度因切去牙顶而减小。

9、如权利要求7所述的阶梯状螺纹接头，其中上述截顶螺纹部分和上述中间螺纹部分螺纹的每个接触高度，因切去了每个上述螺纹的牙顶接触表面而减小。

10、如权利要求7所述的阶梯状螺纹接头，其中在上述中间部分的上述螺纹的接触高度比上述标准螺纹部分接触高度低，但比上述截顶螺纹部分接触高度高。